能源和環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展急需解決的緊迫問題。風(fēng)力發(fā)電作為可再生的清潔能源受到世界各國政府、能源界和環(huán)保界的高度重視。人類利用風(fēng)能已有3千年的歷史了。在公元1000年左右，中國的西藏就出現(xiàn)了水平軸的風(fēng)車。到19世紀(jì)末，歐洲出現(xiàn)R=25m的風(fēng)車；1941年，丹麥制造了世紀(jì)第一臺現(xiàn)代風(fēng)車。但由于煤、石油的開采，人們可以獲得廉價(jià)的能源，風(fēng)力發(fā)電漸漸淡出人們的視線。直到1973年，爆發(fā)的世界能源危機(jī)，世界又重新重視風(fēng)能。隨后，風(fēng)電開始迅速發(fā)展。目前，風(fēng)電已經(jīng)成為世界能源的主要成員。

 

  我國是世界風(fēng)能資源較為豐富的國家之一。資料顯示，我國10m高度的風(fēng)能資源達(dá)到32.26億KW，其中可利用的風(fēng)能約2.53億，占7.84%。從中國再生能源獲悉，2010年中國新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)1300萬kw，增量位居世界首位。中國可再生能源學(xué)會(huì)副理事長施鵬飛表示，截至2010年底，中國風(fēng)電裝機(jī)容量已逾4000萬kw，與美國幾乎持平；而在2009 年底，這一數(shù)值僅為2500萬kw。2006~2009 年，中國風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)連續(xù)4年實(shí)現(xiàn)翻番增長。預(yù)計(jì)2011年我國風(fēng)電裝機(jī)有望增長57%，爭取并網(wǎng)累計(jì)達(dá)到5500萬kw。圖1和圖2分別為世界風(fēng)電和我國風(fēng)電增長速度。

 

 

  新的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論認(rèn)為未來葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵已從效率最大化轉(zhuǎn)移到能量成本（COE）最優(yōu)化 。因此，風(fēng)力機(jī)葉片向著大型化、細(xì)長化發(fā)展。現(xiàn)在兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的長度都達(dá)到了30米以上，其中Vestas公司V112-3.0MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片達(dá)到了55米。大尺寸的葉片受到復(fù)雜載荷的作用，因此要保持自身的結(jié)構(gòu)和氣彈性的穩(wěn)定從而對材料性能的要求很高。經(jīng)過多年的發(fā)展，葉片的材料由木材和帆布發(fā)展到金屬再到玻璃纖維復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料。其中新型玻璃鋼葉片材料因?yàn)槠浔葟?qiáng)度和比剛度上的優(yōu)越性以及其耐腐蝕、耐高溫、易成型及格較便宜等優(yōu)點(diǎn)成為了風(fēng)力機(jī)葉片的主流材料；另外，碳鋼混搭，即碳纖維和玻璃纖維混合技術(shù)，使得葉片在較低成本的基礎(chǔ)上擁有較好的性能。此外開發(fā)新的生物質(zhì)復(fù)合材料在大型葉片中的應(yīng)用將成為一個(gè)重要的研究方向 。

 

 

  目前兆瓦級的葉片尺寸都達(dá)到了30米以上， 因此在復(fù)雜氣動(dòng)載荷、彈性力和慣性力的作用下葉片會(huì)發(fā)生振顫。其中，氣彈耦合經(jīng)典振顫和失速振顫是現(xiàn)在大型柔性葉片最常見、最危害的 。當(dāng)葉片的振顫頻率與其固有頻率相近或相同時(shí)，葉片會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的振顫；另外，葉片在失速情況下，葉片的氣動(dòng)阻尼可能變?yōu)樨?fù)阻尼，即使是較小的負(fù)氣動(dòng)阻尼也能引起發(fā)散的葉片振動(dòng)，從而導(dǎo)致葉片損壞。

 

  葉片的振顫會(huì)影響風(fēng)力機(jī)的工作狀態(tài)，限制風(fēng)力機(jī)的輸出功率，還會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，更重要的是會(huì)對葉片造成災(zāi)難性的損害。葉片的空氣噪聲是風(fēng)力機(jī)噪聲的主要源，雖然葉片的氣動(dòng)噪聲聽起來更自然些 ，但現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)要求有較低的噪聲和較高的功率輸出。葉片空氣噪聲的減少可以通過合理的設(shè)計(jì)和加工來實(shí)現(xiàn)。
 

 

  葉片振顫的交變應(yīng)力會(huì)使葉片產(chǎn)生疲勞裂紋，從而導(dǎo)致葉片的受損。世界風(fēng)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，自70年代至今，世界風(fēng)力機(jī)事故總數(shù)為1093件，其中由葉片損害導(dǎo)致的事故有220 件，占20.1%，見圖3。圖4為由葉片振顫引起的葉片斷裂。由此可見，葉片的抑顫技術(shù)是現(xiàn)在大型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)亟待解決的問題之一。

 

  4、風(fēng)力機(jī)葉片抑顫技術(shù)的發(fā)展

 

  隨著風(fēng)力機(jī)葉片發(fā)展的大型化，葉片的抑顫技術(shù)越來越受到人們的重視。近幾年國內(nèi)外學(xué)者對葉片的抑顫技術(shù)做了很多研究，總結(jié)起來主要有氣動(dòng)抑顫技術(shù)和額外阻尼技術(shù)。

 

  4.1 氣動(dòng)抑顫技術(shù)

 

  風(fēng)力機(jī)葉片在運(yùn)行過程中受到氣動(dòng)力、彈性力和慣性力，這三種力的耦合作用導(dǎo)致葉片的不穩(wěn)定進(jìn)而失效。因此葉片的氣動(dòng)穩(wěn)定性一直是人們關(guān)注的研究課題。研究者大都把葉片簡化為一端固定，一端自由的懸臂梁來分析研究葉片的氣動(dòng)穩(wěn)定性。Jung-Hun Park等人 利用多體動(dòng)力學(xué)原理建立了梁結(jié)構(gòu)的線性運(yùn)動(dòng)方程（equation of motion，EOM），從而求解出梁的固有頻率，經(jīng)過數(shù)值分析得出，固有頻率隨著轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化而變化。Mark Richardson等人 從葉片的前8階模態(tài)分析表明葉片的模態(tài)會(huì)受到葉片本身裂紋的影響；另外，模態(tài)的改變會(huì)明顯引起嚴(yán)重的開裂。Hodges和Dowell 建立了預(yù)彎曲旋轉(zhuǎn)梁的動(dòng)力學(xué)方程，并由此建立了旋轉(zhuǎn)梁的混合變分公式。該模型可以用于風(fēng)力機(jī)葉片的動(dòng)力學(xué)有限元分析，并在葉片的氣彈穩(wěn)定性分析中得到了廣泛的應(yīng)用 - 。T.K.Barlas，G.A.M.van Kuik等人 提出了智能葉片的概念，在葉片的后緣邊增加控制小翼如圖5，采用一定控制策略調(diào)整小翼從而控制葉片的氣彈穩(wěn)定性。

 

  4.2 額外阻尼技術(shù)

 

  風(fēng)力機(jī)葉片在運(yùn)行過程中存在氣動(dòng)阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。任勇生，林學(xué)海12利用ONERA模型分析了風(fēng)力機(jī)葉片動(dòng)力失速非線性氣彈性的穩(wěn)定性，研究表明，結(jié)構(gòu)阻尼可以有效抑制葉片的振顫。因此給葉片施加額外的阻尼是抑制葉片振顫的一種有效的方法。目前大型葉片的都是用復(fù)合材料制成，因此從復(fù)合材料的角度出發(fā)增加葉片結(jié)構(gòu)阻尼是一種有效的方法。Rehfield13 研究了復(fù)合材料薄壁葉片的設(shè)計(jì)分析理論， 為復(fù)合材料葉片的分析提供了理論基礎(chǔ)。Chandra和Chopra14分別從實(shí)驗(yàn)和理論的角度研究了旋轉(zhuǎn)復(fù)合材料梁的振動(dòng)特性。Smith和Chopra15 分析了復(fù)合材料薄壁梁的氣彈性響應(yīng)、載荷及其穩(wěn)定性，而Song和Librescu16研究了各向異性復(fù)合材料薄壁梁的自由振動(dòng)。另外，Stemple和Lee17用有限元法研究了任意橫截面的復(fù)合材料梁在大變形條件下特性。這些都為從復(fù)合材料角度提高葉片結(jié)構(gòu)阻尼提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。C.Anderson等人18提出使用調(diào)諧減振器降低葉片振動(dòng)，并在某一安裝了調(diào)諧吸振器的失速型風(fēng)力機(jī)上做了相應(yīng)的測試，結(jié)果表明， 該風(fēng)力機(jī)葉片的振動(dòng)被明顯的控制了。有些學(xué)者也采用質(zhì)量調(diào)諧阻尼器對葉片進(jìn)行被動(dòng)控制，以降低因動(dòng)態(tài)不平衡而產(chǎn)生的激振力，從而達(dá)到抑振的效果。

 

 

  4.3 智能主動(dòng)控制

 

  近年來智能主動(dòng)控制成為振動(dòng)控制領(lǐng)域國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門課題。智能主動(dòng)控制是需要外部的能源供給，其作用可以與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)相關(guān)，也可以獨(dú)立于系統(tǒng)。選擇不同的控制參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)不同的控制策略，比如使振動(dòng)減小或使振動(dòng)增大甚至使系統(tǒng)失穩(wěn)。最常用的是閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)（如圖6），該系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)通過傳感器傳給控制中樞，控制中樞通過設(shè)定好的控制參數(shù)把控制信號發(fā)給作動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)控制。

 

 

  常用的智能材料有電（磁）致伸縮材料、壓電材料、電（磁）流體和形狀記憶合金等。壓電材料是目前應(yīng)用比較廣泛的智能材料，因?yàn)樗哂姓龎弘娦?yīng)和反壓電效應(yīng)，從而能夠自感知，自調(diào)節(jié)，另外壓電材料還有高頻寬，易成型，便于粘貼于主體結(jié)構(gòu)表面的優(yōu)良特性。壓電材料最早用于衛(wèi)星構(gòu)件的振動(dòng)控制研究。目前將壓電材料作為感應(yīng)器和作動(dòng)器埋入材料層中進(jìn)行振動(dòng)控制已經(jīng)成功應(yīng)用于航天船舶和車輛領(lǐng)域。黃海等人19 針對板殼型自適應(yīng)結(jié)構(gòu)研究了壓電材料作為作動(dòng)器的自適應(yīng)振動(dòng)控制。陳定中等人20將車廂壁面的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為簡支平板的振動(dòng)模型，采用壓電片作為傳感器和作動(dòng)器，利用有限元法和模態(tài)控制法結(jié)合起來分析了車廂壁面的振動(dòng)。結(jié)果表明，利用壓電材料可以有效控制車廂壁面的振動(dòng)。徐志偉等人21基于壓電陶瓷變壓器設(shè)立了一種小型化的振動(dòng)控制系統(tǒng)， 并以飛機(jī)垂直尾翼模型為控制對象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明該控制器實(shí)現(xiàn)了對模型的兩階主要振型的主動(dòng)控制。文獻(xiàn)22利用埋入的壓電材料作為作動(dòng)器，前掠矩形薄壁梁機(jī)翼的發(fā)散速度提高了近4倍，并且在亞臨界速度內(nèi)機(jī)翼的彈性變形得到了控制。Giurgiutiu23介紹了壓電晶片傳感器在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，Suleman24 等對壓電致動(dòng)器用于飛機(jī)的氣彈性振動(dòng)控制的可行性進(jìn)行了研究。Hansson25等研究了壓電單元用于火車體的豎向彈性振動(dòng)控制。Kozek26 等基于粘貼于車底部的壓電致動(dòng)器產(chǎn)生的彎矩實(shí)現(xiàn)火車運(yùn)行過程中振動(dòng)主動(dòng)控制的目的。